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飛多學(xué)堂
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二極管限幅電路

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今天我們來一起學(xué)習(xí)二極管限幅(Clipper)電路。

大多數(shù)電子電路(如放大器、調(diào)制器和許多其他電路)都要求輸入信號(hào)在特定的電壓范圍內(nèi)。任何幅度超過規(guī)定電壓范圍的信號(hào)都會(huì)在輸出時(shí)失真,嚴(yán)重的可能導(dǎo)致電路器件損壞。

為了讓輸入信號(hào)在處理電路的電壓要求范圍內(nèi),通常需要對(duì)波形進(jìn)行削波(clipping)。對(duì)波形進(jìn)行削波可以“限幅”輸入信號(hào)的一部分,但不會(huì)影響剩余部分。

根據(jù)電路中二極管的位置,限幅電路分為兩種:

  • 串聯(lián)限幅電路(Series Clippers)
  • 并聯(lián)限幅電路(Parallel Clippers or Shunt Clippers)

串聯(lián)限幅電路中二極管和負(fù)載串聯(lián),并聯(lián)限幅電路中二極管和負(fù)載并聯(lián)。

下圖分別是串聯(lián)和并聯(lián)限幅電路:

串聯(lián)和并聯(lián)限幅電路

串聯(lián)負(fù)向限幅電路

下圖是串聯(lián)負(fù)向限幅電路(Series Negative Clipper),也被稱為半波整流電路(half-wave rectifier):

串聯(lián)負(fù)向限幅電路

現(xiàn)在讓我們看看為什么這個(gè)電路被稱為串聯(lián)負(fù)向限幅電路,我們使用正弦信號(hào)進(jìn)行分析:

使用正弦信號(hào)分析串聯(lián)負(fù)向限幅電路

在輸入信號(hào)的正半周,二極管正向偏置并處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此,二極管導(dǎo)通,輸入信號(hào)的正半周出現(xiàn)在輸出。對(duì)于理想二極管,二極管兩端的壓降為 0V,當(dāng)它正向偏置時(shí),可以把二極管等效為一段導(dǎo)線。在此期間,輸出與輸入完全相同,因此輸出電壓恰好等于輸入信號(hào)的正半周:

正半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于短路

在輸入信號(hào)的負(fù)半周期間,二極管反向偏置。因此二極管處于關(guān)斷狀態(tài),造成開路。因此,在此期間沒有輸出。電路“剪掉”了輸入信號(hào)的負(fù)半周。這就是為什么這個(gè)電路被稱為串聯(lián)負(fù)向限幅電路。等效電路如下:

負(fù)半周二極管截止相當(dāng)于開路

上面是理想電路的分析,實(shí)際二極管是壓降的,我們假設(shè)它的壓降為 Vf:

  • 正半周期間,輸出電壓 Vout = Vin - Vf
  • 負(fù)半周期間,輸出電壓 Vout = 0V

我們用下面的電路測(cè)試串聯(lián)負(fù)向限幅電路:

串聯(lián)負(fù)向限幅電路

覆銅板上焊接完的電路如下:

覆銅板上的串聯(lián)負(fù)向限幅電路

波形截圖如下:

串聯(lián)負(fù)向限幅電路波形圖

如果你仔細(xì)看正弦波的整流波形,會(huì)發(fā)現(xiàn)波形頂部少了一塊。那是因?yàn)橥昝赖亩O管是不存在的。所有的二極管都有一個(gè)所謂的正向壓降(Voltage drop or Vf)。這意味著每當(dāng)電流正向流過二極管時(shí),電壓通常會(huì)降低 0.7 伏左右。

串聯(lián)正向限幅電路

只需要將二極管掉個(gè)個(gè),我們就可以得到串聯(lián)正向限幅電路(Series Positive Clipper):

串聯(lián)正向限幅電路

在輸入信號(hào)的正半周期間,二極管反向偏置。因此二極管處于斷開狀態(tài),相當(dāng)于此處開路。因此,在此期間沒有輸出。電路“剪掉”了輸入信號(hào)的正半周。等效電路如下:

正半周二極管截止相當(dāng)于開路

在輸入信號(hào)的負(fù)半周,二極管正向偏置并處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此,二極管導(dǎo)通,輸入信號(hào)的負(fù)半周出現(xiàn)在輸出。在理想分析中,二極管兩端的壓降為 0V,當(dāng)它正向偏置時(shí),可以把二極管等效為一段導(dǎo)線。在此期間,輸出與輸入完全相同。等效電路如下:

負(fù)半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于短路

實(shí)際電路中二極管兩端會(huì)有壓降,假設(shè)壓降為 Vf, 則實(shí)際情況如下:

  • 正半周期間:輸出電壓 Vout =0V
  • 負(fù)半周期間:輸出電壓 Vout = Vin+Vf

注意,負(fù)半周 Vin 為負(fù)。Vf 是二極管的正向壓降。

我們用下面的電路測(cè)試串聯(lián)正向限幅電路:

串聯(lián)正向限幅電路

覆銅板上焊接完的電路如下:

覆銅板上的串聯(lián)正向限幅電路

左邊的是之前焊接的串聯(lián)負(fù)向限幅電路,右邊的是串聯(lián)正向限幅電路

波形截圖如下:

串聯(lián)正向限幅電路波形圖

并聯(lián)正向限幅電路

下面是并聯(lián)正向限幅電路(Shunt Positive Clipper):

并聯(lián)正向限幅電路

在輸入信號(hào)的正半周,二極管正向偏置并處于“導(dǎo)通狀態(tài)”。因此,對(duì)于理想二極管,可以把此時(shí)的二極管等效成一段導(dǎo)線。這會(huì)導(dǎo)致電阻右側(cè)對(duì)地短路。因此,輸出也對(duì)地短路,所以,在此期間,沒有輸出。等效電路如下:

正半周二極管導(dǎo)通相當(dāng)于導(dǎo)通

在輸入信號(hào)的負(fù)半周,二極管反向偏置并處于“截止”狀態(tài)。這導(dǎo)致電路中的電阻與地的連接斷開。進(jìn)而導(dǎo)致輸出與輸入并聯(lián)。因此,輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出上。觀察最終的輸出波形,輸入信號(hào)的正半周被“削掉(clipped off)”了, 因此這個(gè)電路被稱為并聯(lián)正向限幅電路(positive parallel clipper)。等效電路如下:

負(fù)半周二極管截止相當(dāng)于開路

實(shí)際電路中二極管兩端會(huì)有壓降,假設(shè)壓降為 Vf, 則實(shí)際情況如下:

  • 正半周期間:輸出電壓 Vout =Vf
  • 負(fù)半周期間:輸出電壓 Vout = Vin

我們用下面的電路測(cè)試并聯(lián)正向限幅電路:

并聯(lián)正向限幅電路

覆銅板上焊接電路如下:

覆銅板上的并聯(lián)正向限幅電路

示波器波形截圖如下:

并聯(lián)正向限幅電路波形圖

并聯(lián)負(fù)向限幅電路

把上面電路中二極管掉個(gè)個(gè), 電路將會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)并聯(lián)負(fù)向限幅電路(Shunt Negative Clipper):

并聯(lián)負(fù)向限幅電路

此電路中,在輸入信號(hào)的正間隔期間,二極管反向偏置,因此開路。 在正半周,輸出與輸入信號(hào)直接平行。 因此,輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出上。 而在輸入信號(hào)的負(fù)半周,二極管正向偏置并因此短路。 在此期間,輸出電壓理想情況下等于 0 V。等效電路如下:

正半周截止相當(dāng)于開路,負(fù)半周導(dǎo)通相當(dāng)于短路

實(shí)際電路中二極管兩端會(huì)有壓降,假設(shè)壓降為 Vf, 則實(shí)際情況如下:

  • 正半周期間:輸出電壓 Vout = Vin
  • 負(fù)半周期間:輸出電壓 Vout = -Vf

我們用下面的電路測(cè)試并聯(lián)負(fù)向限幅電路:

并聯(lián)負(fù)向限幅電路

覆銅板上焊接電路如下:

覆銅板上的并聯(lián)負(fù)向限幅電路

左邊的是之前焊接的并聯(lián)正向限幅電路。

示波器波形截圖如下:

并聯(lián)負(fù)向限幅電路波形圖

雙向限幅電路

如果我們?nèi)鐖D所示反向并聯(lián)兩個(gè)二極管,那么正負(fù)半周都會(huì)被削波(Clipping of Both Half Cycles),因?yàn)槎O管 D1 削波了正弦輸入波形的正半周,而二極管 D2 削波了負(fù)半周:

雙向限幅電路

對(duì)于理想二極管,上面的輸出波形為零。 然而,由于二極管上的正向偏置電壓降,實(shí)際的削波點(diǎn)分別出現(xiàn)在 0.7 伏和 –0.7 伏。

偏置限幅電路

上面的限幅電路在零伏或者更準(zhǔn)確的說二極管正向壓降 Vf 處進(jìn)行限幅,但可以通過添加偏置電壓將限幅電壓設(shè)置為任何所需值。

偏置并聯(lián)正向限幅電路

下圖是正偏置并聯(lián)正向限幅電路(Shunt Positive Clipper with Positive Bias Voltage):

正偏置并聯(lián)正向限幅電路

將偏置電壓 Vbias 與二極管串聯(lián)可以產(chǎn)生任意電平的二極管限幅電路。串聯(lián)組合兩端的電壓必須大于 Vbias +0.7V 二極管才能導(dǎo)通。例如,如果 Vbias 電平為 4.0V, 那么二極管正極的電壓必須大于 4.0 + 0.7 = 4.7V 才能讓二極管導(dǎo)通。任何高于此偏置電壓的電平會(huì)被剪掉。

在輸入信號(hào)的正半周,當(dāng)輸入信號(hào)從 0V 上升到 Vf+Vbias 時(shí),二極管處于截止?fàn)顟B(tài),輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)大于 Vf+Vbias 時(shí),二極管導(dǎo)通,此時(shí),輸出等于 Vf+Vbias:

  • 當(dāng) Vin < Vf + Vbias, 輸出 Vout = Vin
  • 當(dāng)Vin > Vf + Vbias, 輸出 Vout = Vf + Vbias

在輸入信號(hào)的負(fù)半周,二級(jí)管處于截止?fàn)顟B(tài),輸出信號(hào)等于輸入信號(hào):

  • Vout = Vin

偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路

下圖是負(fù)偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路(Shunt Negative Clipper with Negative Bias Voltage):

負(fù)偏置偏置并聯(lián)負(fù)向限幅電路

電路中,偏置電源的負(fù)極反向偏置二極管,只有當(dāng)輸入信號(hào)小于 -Vbias - 0.7V 時(shí)二極管才會(huì)導(dǎo)通。

在輸入信號(hào)信號(hào)的正半周,二極管處于截止?fàn)顟B(tài),輸出信號(hào)等于輸入信號(hào):

  • Vout = Vin

在輸入信號(hào)的負(fù)半周,當(dāng)輸入信號(hào)大于 -Vbias - 0.7V 時(shí),二極管截止,輸出信號(hào)等于輸入信號(hào);當(dāng)輸入信號(hào)小于 -Vbias - 0.7V 時(shí),二極管導(dǎo)通,輸出信號(hào)等于 -Vibas - 07.V:

  • 當(dāng) Vin > -Vbias - 0.7V, 輸出 Vout = Vin
  • 當(dāng) Vin < -Vbias - 0.7V, 輸出 Vout = -Vbias - 0.7V

總結(jié)

串聯(lián)限幅電路二極管導(dǎo)通時(shí)允許輸入信號(hào)通過,并聯(lián)限幅電路二極管截止時(shí)允許輸入信號(hào)通過。

串聯(lián)限幅電路通過的信號(hào)有 0.7V 左右的降幅,并聯(lián)限幅電路通過的信號(hào)沒有降幅,完整通過。

串聯(lián)限幅電路可以在 0V 截止信號(hào),并聯(lián)限幅電路截止位置則在 ±0.7V 左右。

對(duì)于二極管限幅電路,我們?cè)诜治鰰r(shí)可以先把二極管想象成理想二極管,然后通過將導(dǎo)通二極管在等效電路中替換成一段導(dǎo)線,將截止二極管在等效電路中替換成開路的形式來理解出輸出波形應(yīng)該是什么樣子,在此基礎(chǔ)上,再將理想二極管替換成帶有正向壓降(0.7V 左右)的實(shí)際二極管,這樣,可以極大有利于我們理解這種電路。

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  • ctd88 2022-01-09 17:15
    深刻,詳細(xì),通俗易懂。
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  • yywang 2021-12-31 16:35
    很到位
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